Sistema de captación y gestión de microenergía para dispositivos IoT
Captación de microenergía del entorno, gestión eficiente y almacenamiento para aumentar la autonomía de sensores y dispositivos IoT de bajo consumo.
La captación de microenergía puede aumentar la autonomía de los dispositivos IoT instalados en campo, donde la alimentación es uno de los principales desafíos de diseño. Cuando cambiar baterías periódicamente es difícil, caro o indeseable, una alternativa es aprovechar pequeñas cantidades de energía disponibles en el propio entorno.
Esta técnica, conocida internacionalmente como Energy Harvesting, puede usar fuentes como la luz, la vibración y las diferencias de temperatura. La energía captada se acondiciona y se gestiona para alimentar el circuito electrónico y recargar un elemento de almacenamiento, lo que permite aumentar mucho la autonomía del dispositivo.
¿Cómo funciona la captación de microenergía en dispositivos IoT?
En la captación de microenergía, la cantidad de energía disponible en el entorno suele ser pequeña y variable. Por eso no alcanza con conectar una fuente de energía directamente a la batería. Hace falta un circuito especializado capaz de captar esa energía, convertirla de forma eficiente y controlar su almacenamiento.
En una arquitectura típica, la fuente de microenergía alimenta un circuito de gestión de energía, o PMIC. Ese circuito acondiciona la energía disponible y controla la carga del elemento de almacenamiento. La energía acumulada se usa luego en el sensor, el microcontrolador y el sistema de comunicación del dispositivo IoT.
En un proyecto de captación de microenergía, el desafío de ingeniería es equilibrar tres factores: la energía que puede captarse del entorno, la capacidad de almacenamiento y el consumo del equipo.
PMIC para captación y gestión de energía
Un ejemplo de este tipo de solución son los circuitos de e-peas orientados a la captación de energía. La empresa tiene PMIC desarrollados para trabajar con pequeñas fuentes de energía y dispositivos de almacenamiento.
Entre las soluciones citadas están los convertidores AEM10941, AEM10330 y AEM10300. Estos componentes pueden combinarse con baterías recargables en miniatura de titanato de litio (LTO), como la serie SLB de NICHICON.
Según los datos de los fabricantes, la serie SLB está pensada para aplicaciones IoT y puede alcanzar al menos 25.000 ciclos de carga y descarga. La combinación entre el PMIC y el dispositivo de almacenamiento busca formar una solución compacta y de larga duración para sensores y otros equipos que operan con poca energía disponible.
Gestión y protección de la batería
Además de convertir la energía captada, el circuito de gestión tiene que trabajar de acuerdo con las características del elemento de almacenamiento.
El AEM10300 y el AEM10330 tienen configuraciones predefinidas para distintos elementos de almacenamiento. El AEM10941, en cambio, permite una configuración personalizada, para ajustar los parámetros a la batería usada en la aplicación.
Los PMIC también incorporan funciones de protección contra sobretensión y descarga excesiva. Esta gestión es importante porque el objetivo no es solo captar energía, sino usar bien la poca energía disponible y mantener el sistema dentro de las condiciones previstas para la batería.
Un ejemplo de autonomía prolongada
Una prueba presentada para la combinación de la batería NICHICON SLB03070LR35 con el e-peas AEM10300 muestra el potencial de este tipo de arquitectura.
En el ensayo, el sistema siguió alimentando el sensor durante más de cuatro meses en condiciones de oscuridad, período en el que la fuente de luz usada para captar energía dejó de aportar al sistema.
Durante ese tiempo, el sensor siguió transmitiendo información a un gateway remoto. El registro presentado indica una caída de aproximadamente 86 mV en la tensión de la batería a lo largo de un mes de operación en esas condiciones.
El resultado es más interesante que simplemente afirmar que una batería puede “durar para siempre”. En la práctica, la autonomía depende del balance energético completo del proyecto: cuánta energía puede captarse, cuánto consume el equipo, con qué frecuencia transmite datos y cuál es la capacidad del elemento de almacenamiento.
¿Dónde puede aplicarse este concepto?
Las soluciones de captación y gestión de microenergía pueden ser interesantes sobre todo en sensores y equipos IoT instalados en lugares donde el mantenimiento frecuente es inconveniente.
Un ejemplo son los sistemas de monitoreo ambiental y de edificios inteligentes, en los que el dispositivo puede pasar largos períodos con poca energía disponible, pero aun así debe mantener las funciones de medición y comunicación.
El concepto también puede considerarse en cualquier aplicación en la que sea posible aprovechar alguna fuente de energía del entorno y el consumo promedio del equipo sea lo bastante bajo para mantener un balance energético favorable.
Diseño electrónico de sistemas IoT de bajo consumo
Usar microenergía no depende solo de elegir el PMIC o la batería. El proyecto completo tiene que considerar el consumo del microcontrolador, los sensores, los reguladores, las interfaces y, sobre todo, el sistema de comunicación.
El desarrollo debe analizar los períodos de actividad y reposo, la frecuencia de las mediciones y transmisiones y la energía realmente disponible en la aplicación. Así, la captación de energía pasa a formar parte de la arquitectura del producto, y no a ser solo un componente adicional.
En Brasil, e-peas está representada por Quadra Representações, que puede ayudar a elegir las soluciones del fabricante. Para aplicaciones que exigen análisis de arquitectura, desarrollo de hardware y firmware o integración con sensores y sistemas de comunicación, ECK desarrolla proyectos de ingeniería electrónica orientados a la solución completa. Para referencias técnicas sobre componentes de captación de microenergía, consulte también a los fabricantes e-peas y NICHICON.
Término técnico
Energy Harvesting es el término internacional para las técnicas que captan pequeñas cantidades de energía disponibles en el entorno. En este artículo usamos la expresión “captación de microenergía” porque representa de forma más directa la aplicación en dispositivos IoT de bajo consumo.
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ECK trabaja en hardware, firmware, sensores, comunicación y gestión de energía.